主題
引力波的世紀追尋：
從愛因斯坦到2017年諾貝爾物理學獎
主辦
上海市科學技術協會
承辦
上海市科普作家協會、
新華網“科普中國-科技前沿大師談”、
上海科協大講壇管理辦公室
協辦
《文匯報》社、《科學》雜誌、
《上海科壇》雜誌、
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上海科普教育展示技術中心、
《上海科技報》、
高校科幻蘋果核
時間
2017年11月25日
天體物理學博士， 科學松鼠會創始會員， 中國科普作家協會會員， 上海市科普作家協會會員
引力波的世紀追尋：
從愛因斯坦到2017年諾貝爾物理學獎
2017年10月3日， 瑞典皇家科學院宣佈， 今年諾貝爾物理學獎一半授予雷納·韋斯（Rainer Weiss）， 另一半授予巴里·巴里什（Barry Clark Barish）和基普·索恩（Kip Stephen Thorne）， 以表彰他們“為鐳射干涉引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory， 縮寫為LIGO）以及引力波的觀測所作的決定性貢獻”。
2016年2月12日， LIGO合作組宣佈， 他們於2015年9月14日探測到了引力波， 它來自一個品質為36太陽品質的黑洞與一個29太陽品質的黑洞的碰撞，
2015年12月26日和2017年1月4日， LIGO又兩次探測到黑洞併合產生的引力波。 諾貝爾獎宣佈6天前， 9月27日， LIGO和靠近義大利比薩的引力波天文臺VIRGO宣佈， 2017年8月14日， LIGO和VIRGO共同探測到另一次黑洞併合產生的引力波。
諾貝爾獎宣佈13天后， 10月16日， LIGO和VIRGO又宣佈， 今年8月17日， 他們第一次觀測到兩個中子星併合產生的引力波。 這個事件還產生了短伽馬射線爆。 全球70多個各個電磁波波段的望遠鏡對這個伽馬射線爆的餘輝進行了觀測。
很多科學家對LIGO的成功作出了貢獻。
引力波是1916年愛因斯坦根據廣義相對論所作的預言， 超越了牛頓引力理論。
300多年前， 牛頓說， 任何兩個有品質的物體之間存在萬有引力， 而且這個引力是暫態的， 也就說， 物體之間引力的傳遞不需要時間。 牛頓解釋了為什麼地球圍繞太陽轉， 為什麼樹上的蘋果會落地。
然而愛因斯坦1905年創立的狹義相對論指出， 任何信號的傳遞不可能超過光速， 時間和空間成為整體， 稱為時空。
1916年， 愛因斯坦根據廣義相對論， 預言了引力波。 引力源品質分佈的改變， 導致它對其他物體引力的改變， 這種改變以光速傳播開來， 就是引力波。 既然引力是時空彎曲， 那麼引力波也就是“時空的漣漪”， 即時空彎曲情況隨時間變化、在空間傳播。 引力波到達之處， 在垂直於傳播方向的平面上， 任何長度都會振盪， 而且在互相垂直的任意兩個方向上步調相反。
理論表明， 引力波主要來自宇宙中的超新星爆發、中子星和黑洞等緻密天體以及宇宙大爆炸。 1974年， 赫爾斯和泰勒發現引力波導致一個中子星和與之互相環繞的伴星之間的距離越來越小， 因此獲1993年諾貝爾物理學獎。 但直到2015年， 引力波還沒有被直接探測到。
LIGO的探測原理基於鐳射干涉。 LIGO包括兩個同樣的探測器， 它們相距3002公里， 分別位於美國華盛頓州與路易斯安那州。 兩個探測器共同工作， 可排除其他信號， 比如地震。 每個探測器是一個巨大的邁克爾遜干涉儀， 有兩個互相垂直的、約4公里長的臂， 構成L-形。 一束鐳射分成兩束， 分別進入兩臂。 在每個臂中， 鐳射被兩端的鏡子來回反射多次。 最後兩束鐳射再疊加起來， 這就是干涉。 干涉的光強決定于兩臂長度差，所以用來測量兩臂長度差。
引力波經過探測器時，每個臂的長度都時長時短地振盪，而且步調相反，一個臂變長時，另一個變短。所以兩臂長度差也在振盪，從而鐳射干涉的光強也在振盪。由此就可以反推出引力波的性質。
2015年9月14日，LIGO測到，干涉儀的臂發生了0.0……04米的長度改變（小數點後面18個0）。
LIGO探測到引力波，意義不僅在於直接驗證廣義相對論預言的引力波的存在，還在於開啟了對強引力、隨時間變化的引力以及黑洞的直接觀測，打開了認識宇宙的一個新視窗。在這之前，我們關於宇宙的資訊來自宇宙中傳來的電磁波和粒子，如宇宙線和中微子，而引力波帶來了主宰宇宙的引力的直接資訊。引力波天文臺與傳統天文望遠鏡協同觀測中子星併合表明，引力波和電磁波的探測可以協同進行，標誌著多信使天文學的開始。
2017年9月21日，復旦-中植科學獎授予了韋斯、索恩和巴里什，並詳細描述了每位獲獎者的貢獻：
“雷納·韋斯（Rainer Weiss）教授：發明的鐳射干涉引力波探測器是LIGO裝置的基礎。他首次分析了探測器的主要雜訊來源，並領導了LIGO儀器科學的研究，最終使LIGO達到了足夠的靈敏度，在人類歷史上第一次探測到了引力波。
基普·索恩（Kip Stephen Thorne）教授：奠定了引力波探測的理論基礎，他開創了引力波波形計算以及資料分析的研究方向，並對LIGO儀器科學做出了重要貢獻，特別是提出了量子計量學理論的一系列基本概念。
巴里·巴里什（Barry Clark Barish）教授：領導了LIGO建設及初期運行，建立了LIGO國際科學合作，他把LIGO從幾個研究小組從事的小科學成功地轉化成了涉及眾多成員並且依賴大規模設備的大科學，最終使引力波探測成為可能。”
正是這三位物理學家12天后獲得了諾貝爾物理學獎。
嘉賓簡介
主持人
沈學礎院士
中國科學院院士，物理學家。中國科學院上海技術物理研究所研究員。1978年改革開放後首批出國留學人員，赴徳國馬普固體研究所訪問研究兩年多。中國科學院首批開放實驗室和國家重點實驗室（紅外物理實驗室）首任主任；國家863計畫，國家攀登計畫首席科學家。上海大學理學院院長，復旦大學教授。國際紅外毫米波-太赫茲學術會議國際組委會委員，紅外毫米波-太赫茲國際學術組織創始委員。上海市學位委員會委員、上海市對外文化交流協會理事、中科院上海技術物理研究所學位委員會主席， 國際雜誌“半導體科學與技術”（Semiconductor science and technology）和 “固態通訊”（Solid State Commun），”振動光譜“（vibrational spectroscopy）編委與編輯。德國洪堡大學，加拿大麥基爾大學，美國紐約大學訪問教授， 臺灣大學講席教授， 香港大學榮譽教授。
主要從事固體光譜及其實驗方法等方面的研究， 著有《半導體光譜和光學性質》等多部著作。三次獲國家自然科學獎，1988年獲“國家有突出貢獻中青年專家”稱號， 兩次獲國家“金牛獎”。2002年獲何梁何利獎，2006年獲國際“Ken Button”獎。評述碲鎘汞和量子阱紅外探測應用的文章被SPIE收入20世紀夜視技術里程碑卷。
復旦大學物理學系教授，全國量子力學研究會副理事長。1989年畢業于南京大學物理學系，在該校天文系和物理系讀研究生，1994年獲博士學位。1998至2003年在英國劍橋大學卡文迪許實驗室以及理論物理與應用數學系工作，還曾經在德國科隆大學、美國伊利諾依大學、清華大學高等研究中心、美國德克薩斯大學工作過。2005年起任復旦大學物理學系教授。 從事理論物理研究，涉及量子物理與量子資訊、量子場論與粒子物理、凝聚態物理等。目前的研究課題包括量子糾纏態在引力波探測中的應用，對物理學的歷史和文化也有較深入的研究。
中國極地研究中心南極天文學研究室副研究員。2011 年 6 月于中國科學技術大學獲天體物理博士學位，獲中國科學院院長特別獎學金，中國科學院優秀博士學位論文獎。2011年8月就職于中國科學技術大學天文學系任特任副教授，2015年1月就職于南京大學天文與空間科學學院任專案研究員，2015年10月調入中國極地研究中心南極天文學研究室工作。目前在SCI和EI刊物發表研究論文40餘篇，研究方向涉及活動星系核多波段觀測、類星體吸收線系統、太陽系外行星、南極天文儀器與技術。主持國家自然科學基金1項，作為科研骨幹參與國家自然基金重點專案、聯合基金、國家973專案課題和南北極環境綜合考察與評估專案等課題。
天體物理學博士、科學松鼠會創始會員、中國科普作家協會會員、曾任第六版《十萬個為什麼》編輯。對中西方文化比較、科學發展及其對人類文明史的影響，有獨到的見解。已翻譯科普書十餘本，舉辦科學講座近百場。
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干涉的光強決定于兩臂長度差，所以用來測量兩臂長度差。引力波經過探測器時，每個臂的長度都時長時短地振盪，而且步調相反，一個臂變長時，另一個變短。所以兩臂長度差也在振盪，從而鐳射干涉的光強也在振盪。由此就可以反推出引力波的性質。
2015年9月14日，LIGO測到，干涉儀的臂發生了0.0……04米的長度改變（小數點後面18個0）。
LIGO探測到引力波，意義不僅在於直接驗證廣義相對論預言的引力波的存在，還在於開啟了對強引力、隨時間變化的引力以及黑洞的直接觀測，打開了認識宇宙的一個新視窗。在這之前，我們關於宇宙的資訊來自宇宙中傳來的電磁波和粒子，如宇宙線和中微子，而引力波帶來了主宰宇宙的引力的直接資訊。引力波天文臺與傳統天文望遠鏡協同觀測中子星併合表明，引力波和電磁波的探測可以協同進行，標誌著多信使天文學的開始。
2017年9月21日，復旦-中植科學獎授予了韋斯、索恩和巴里什，並詳細描述了每位獲獎者的貢獻：
“雷納·韋斯（Rainer Weiss）教授：發明的鐳射干涉引力波探測器是LIGO裝置的基礎。他首次分析了探測器的主要雜訊來源，並領導了LIGO儀器科學的研究，最終使LIGO達到了足夠的靈敏度，在人類歷史上第一次探測到了引力波。
基普·索恩（Kip Stephen Thorne）教授：奠定了引力波探測的理論基礎，他開創了引力波波形計算以及資料分析的研究方向，並對LIGO儀器科學做出了重要貢獻，特別是提出了量子計量學理論的一系列基本概念。
巴里·巴里什（Barry Clark Barish）教授：領導了LIGO建設及初期運行，建立了LIGO國際科學合作，他把LIGO從幾個研究小組從事的小科學成功地轉化成了涉及眾多成員並且依賴大規模設備的大科學，最終使引力波探測成為可能。”
正是這三位物理學家12天后獲得了諾貝爾物理學獎。
嘉賓簡介
主持人
沈學礎院士
中國科學院院士，物理學家。中國科學院上海技術物理研究所研究員。1978年改革開放後首批出國留學人員，赴徳國馬普固體研究所訪問研究兩年多。中國科學院首批開放實驗室和國家重點實驗室（紅外物理實驗室）首任主任；國家863計畫，國家攀登計畫首席科學家。上海大學理學院院長，復旦大學教授。國際紅外毫米波-太赫茲學術會議國際組委會委員，紅外毫米波-太赫茲國際學術組織創始委員。上海市學位委員會委員、上海市對外文化交流協會理事、中科院上海技術物理研究所學位委員會主席， 國際雜誌“半導體科學與技術”（Semiconductor science and technology）和 “固態通訊”（Solid State Commun），”振動光譜“（vibrational spectroscopy）編委與編輯。德國洪堡大學，加拿大麥基爾大學，美國紐約大學訪問教授， 臺灣大學講席教授， 香港大學榮譽教授。
主要從事固體光譜及其實驗方法等方面的研究， 著有《半導體光譜和光學性質》等多部著作。三次獲國家自然科學獎，1988年獲“國家有突出貢獻中青年專家”稱號， 兩次獲國家“金牛獎”。2002年獲何梁何利獎，2006年獲國際“Ken Button”獎。評述碲鎘汞和量子阱紅外探測應用的文章被SPIE收入20世紀夜視技術里程碑卷。
復旦大學物理學系教授，全國量子力學研究會副理事長。1989年畢業于南京大學物理學系，在該校天文系和物理系讀研究生，1994年獲博士學位。1998至2003年在英國劍橋大學卡文迪許實驗室以及理論物理與應用數學系工作，還曾經在德國科隆大學、美國伊利諾依大學、清華大學高等研究中心、美國德克薩斯大學工作過。2005年起任復旦大學物理學系教授。 從事理論物理研究，涉及量子物理與量子資訊、量子場論與粒子物理、凝聚態物理等。目前的研究課題包括量子糾纏態在引力波探測中的應用，對物理學的歷史和文化也有較深入的研究。
中國極地研究中心南極天文學研究室副研究員。2011 年 6 月于中國科學技術大學獲天體物理博士學位，獲中國科學院院長特別獎學金，中國科學院優秀博士學位論文獎。2011年8月就職于中國科學技術大學天文學系任特任副教授，2015年1月就職于南京大學天文與空間科學學院任專案研究員，2015年10月調入中國極地研究中心南極天文學研究室工作。目前在SCI和EI刊物發表研究論文40餘篇，研究方向涉及活動星系核多波段觀測、類星體吸收線系統、太陽系外行星、南極天文儀器與技術。主持國家自然科學基金1項，作為科研骨幹參與國家自然基金重點專案、聯合基金、國家973專案課題和南北極環境綜合考察與評估專案等課題。
天體物理學博士、科學松鼠會創始會員、中國科普作家協會會員、曾任第六版《十萬個為什麼》編輯。對中西方文化比較、科學發展及其對人類文明史的影響，有獨到的見解。已翻譯科普書十餘本，舉辦科學講座近百場。
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